汾河中游石滩水文站洪水特性分析

高俊莲

(山西省晋中市水文水资源勘测分局,山西 晋中 030600)

1 概况

汾河发源于宁武县的管涔山南麓,河源海拔高程为 1 670.0 m,流向由北向南,纵贯大半个山西,汇聚源自吕梁、太行两大山区的支流,穿越太原、临汾两大盆地,至运城市新绛县境急转西行,于禹门口下游万荣县荣河镇庙前村附近汇入黄河,河口高程 368.0 m,河道总高差 1 308 m,平均纵坡 1.12‰,干流直线长度 412.7 k m,河道弯曲系数 1.68。

石滩水文站地处临汾市境内,位于汾河中游地段,设立于 1951年 5月,控制流域面积 28 214k m2,于 1995年 1月下迁至赵城(控制流域面积 2 8676 k m2)。该站控制着汾河上中游的水量和泥沙,主要为研究水资源评价提供服务,同时还担负着向北京、郑州、太原、临汾、运城等地发送雨情、河道水情、土壤墒情的报汛任务。它在临汾市乃至全省的防汛抗旱、水资源评价、水利工程建设等方面,具有重要的战略地位,特别是对下游洪洞、临汾、襄汾、侯马及运城个别县市的防洪抢险起着举足轻重作用,因此,分析研究石滩水文站洪水特性有着重要的意义。

2 洪水特征分析

汾河流域呈狭长型,南北跨度大,支流众多,地形条件复杂,洪涝灾害发生的区域多在中下游段。流域洪水主要由大范围长历时暴雨形成和小范围局部暴雨形成。据历史记载,1381年 ～1948年间,汾河流域共发生洪灾 132次,平均每4.3年发生一次。解放后汾河中下游干流沿岸也发生过 10余次洪灾。中游一带是历史上汾河水患多发区,汾河进入太原盆地之后,河道纵坡变缓,有较多的支流汇入,泥沙淤积严重,主要靠堤坝挡水,因而比较容易遭受洪灾。解放前 100多年里,曾发生洪灾 20余次,平均 5年一次。建国后,在1954年、1959年 、1977年 、1988年和 1996年,汾河中下游发生了五次较大规模的水灾,尤其是 1977年平遥水灾,导致尹回水库垮坝,南同蒲铁路中断 10 d,死亡 70人。

石滩水文站具有 1951～2008年(1995年以后由赵城水文站折算求得)59年的实测水文系列资料,下面以石滩水文站洪水资料对该河段的洪水特征进行分析。

2.1 实测期月最大洪峰分析

以实测期月最大洪峰进行统计分析,1951～2008年实测最大洪峰流量为 2 800 m3/s,发生于 1957年 7月 25日。在年际变化中,最大洪峰主要发生于 7～9月,占 87.9%,而主汛期 7～8月就占到 70.7%。且由于受人类活动等影响,1～10月份均发生过流量大于 100 m3/s的洪水,见表1。

表1 石滩水文站历年逐月最大值统计

以上统计仅考虑每月最大洪水,事实上往往是一个月内可能发生几场不同等级的洪水。如 1963年共发生较大洪水9场,其中大于 800 m3/s的洪水 1场,500～800 m3/s的洪水4场,300～500 m3/s的洪水 3场。

2.2 实测期洪水量级分析

以月最大洪峰流量大于 100 m3/s的洪水进行不同量级洪水发生场次统计,见表2。

1951～2008年 59年间共发生 150场次,平均每年发生 2.5场次。其中 1～5月份 12场,占 8%,汛期 6～9月份发生 127场,占 84.7%,其中主汛期 7～8月份发生 78场,占 52%,10月发生 11场,占 7.3%,11～12月份未发生大于 100 m3/s的洪水。

150场洪水中,100-200 m3/s的洪水 56场,占 37.3%;200～300 m3/s的洪水 23场,占 15.3%;300～500 m3/s的洪水 19场,占 12.7%;500～800 m3/s的洪水 32场,占21.3%;800～1 000 m3/s的洪水 7场,占 4.7%;1 000～1 500 m3/s的洪水 4场,占 2.7%;1 500～2 000 m3/s的洪水 8场,占5.3%;大于 2 000 m3/s的洪水 1场,占 0.7%。

2.3 洪水来源分析

根据补给来源,本流域洪水主要为降雨、融水及水库蓄水调节混合型洪水,与降水、气温及水库的蓄水量等条件有着直接的关系。夏季,由于降水比较集中,气温也比较高,因而洪水次数比较频繁,洪量也比较大。在一次洪水过程中,洪峰陡涨的洪水过程主要是降水直接形成的雨洪过程,而洪峰变化比较缓慢的洪水过程,则主要是受融水和水库调节的影响而发生的洪水过程,如汛前 1～4月份发生的洪水大部分源于此。

表2 石滩水文站 1951-2008年不同量级洪水统计表

义棠水文站地处石滩水文站上游 78 k m处,位于晋中市境内,控制流域面积 23 945 k m2,占石滩流域控制面积的84.9%,它基本上控制了汾河上中游的来水。义棠—石滩区间主要支流有交口河、段纯河、静升河、仁义河、北涧河、南涧河、对竹河 7条,均为汾河一级支流,也是区间产水的主要河流。因此,可以通过义棠和石滩洪峰流量的对比分析来确定石滩洪水来源。

通过分析,石滩洪水来源有的以区间水为主,以 1963年该区所发生的洪水为例,7月 4日、7月 24日、8月 13日、8月29日、8月 30日洪水均是以区间产水为主;有的洪水以上游来水为主,如 5月 24日、6月 15日、7月 4日洪水,见图 1、图2。洪峰形状为单式峰和复式峰兼而有之。如 8月 7日 ～8月 13日,出现 5个连续峰,而 5月 23日基本上为一单式峰。从历年资料分析,石滩站以复式峰居多,一个洪峰过去紧接着可能发生第二个洪峰,这样的峰型对防洪是非常不利的。

图1 义棠-石滩洪水过程比较

图2 义棠-石滩洪水过程比较

2.4 洪峰传播时间

洪峰传播时间主要以上游来水为主的 44场洪水进行了初步分析,从义棠至石滩洪峰时间大致为 6～10个小时,洪峰越大,洪水传播时间越短。其中 300-500m3/s洪水平均传播时间 9.1 h,500～1 000 m3/s平均传播时间 7.7 h,1 000～1 500 m3/s平均传播时间 6.6 h,1 500～2 000 m3/s平均传播时间 6 h,大于 2 000 m3/s平均传播时间 5.5 h。详见图3。

以区间产流为主或者区间和上游来水兼而有之的洪水,由于受区间暴雨分布特征等因素的影响,需要通过对不同特征暴雨进行流域产流、汇流及河道汇流分析确定。

图3 洪水传播时间分析

3 洪水频率分析

对石滩水文站历史洪水及实测洪水进行统计,共收集石滩水文站调查洪水 5次,其中 1843年,Q为 5 450 m3/s,1837～1840年,Q为 5 040 m3/s,1917年,Q为 3 740 m3/s,1942年 7月 16日,Q为 3 640 m3/s,1937年,Q为 2 475 m3/s。

选用调查的 5次洪水以及实测 59年洪水,根据部颁S L 44-93行业标准《水利水电工程设计洪水计算规范》的有关规定,由流量资料采用数理统计法推求设计洪峰流量。年最大值选样,数学期望公式确定经验频率,皮尔逊Ⅲ型作为理论频率曲线,以矩法初估频率曲线统计参数,采用适线法调整统计参数。

由分析结果可知,石滩水文站百年一遇洪水为 4 550 m3/s,50年一遇洪水为 3 690 m3/s,20年一遇洪水为 2 600 m3/s,10年一遇洪水为 1 820 m3/s,见表3。

表3 石滩站洪峰流量频率分析计算成果

4 结论

(1)石滩水文站发生洪水的频率较高,自建站以来,每年均有不同量级的洪水发生,洪水造成的经济损失相当严重,直接影响了当地经济的可持续发展,所以应积极开展河道的整治工作,减少洪涝灾害造成的损失。为此,应加大对石滩水文站洪水灾害的成因分析。

(2)尽快制定上下游洪水预报方案,最大限度地减少洪水灾害。目前义棠—石滩区间站网密度不够,尤其是报汛站数量不足,分布也不均匀,给流域降水、径流分析和洪水预报等工作带来极大的困难,因此应加强水文气象站网的建设。

(3)近年来,石滩水文站发生洪水的量级呈减小趋势,究其原因:一方面与上游水利工程的建设有关。另一方面受降水量的影响,洪水的形成不仅与降水量的大小有关而且与降水的特征有关,即与降水强度以及降水的集中程度等有关。

总的说来,石滩水文站作为汾河中段的重要水文窗口,给我们提供了珍贵难得的数据资料,对人们掌握自然规律,了解洪水、合理利用洪水起到重要的作用。